柔韧预浸炭纤维及C/C复合材料的制备与抗氧化研究

摘要

炭纤维/炭(Cde)复合材料具有高比强度、高比模量、材料结构可设计性、高温下强度保持率高等优异的性能,它广泛应用于军事、航空航天等领域。Cf/C复合材料抗氧化涂层研制成功后,在氧化气氛下可以多次重复使用,使它成为一种极好的耐烧蚀材料,也是一种耐高温热结构材料,成为当今先进复合材料研究和开发的重点。但是Cf/C复合材料也存在一些问题限制了它的应用,目前主要的问题是各种常用的致密化方法和浸渍剂性能不尽如人意。探索一种全新的粉末涂层快速制备Cf/C复合材料途径,并通过沥青浸渍.炭化和萘原位浸渍聚合-炭化的复合致密化工艺,来达到减少致密化周期、降低材料成本。
　　 本文主要研究炭纤维处理、硼改性酚醛树脂(BPR)粉末涂层、预制体的成型及炭化、Cf/C复合材料的致密化和抗氧化涂层等对试样性能的影响,其中炭纤维开纤和BPR粉末涂层对Cf/C复合材料的性能研究十分重要,采用空气梳对炭纤维进行气流开纤和BPR粉末涂层可以制备柔韧性优良的丝束,该丝束不仅可以直接成型,而且还可以编织、纺织成一定的形状后成型。Cf/C复合材料的致密化对其性能提高有非常明显的效果,集中探讨了三种致密化方法对Cf/C复合材料性能的影响。
　　 针对炭纤维表面惰性不易被浸润的特性,使用浓硝酸氧化法对炭纤维进行表面改性,采用扫描电镜(SEM)、红外光谱(FT-IR)和动态接触角法等研究了炭纤维的形态、特征基团和表面浸润性能的改变。首次利用空气梳开纤和粉末涂层的方法制备柔韧预浸炭纤维丝束,空气梳对炭纤维进行开纤时,考察气流压力和炭纤维处理速度对开纤幅度和稳定性的影响;该方法充分克服炭纤维开纤困难的难题,如采用常规的罗拉法开纤,分丝效果不太理想,并且对炭纤维产生巨大的破坏作用。比较系统地研究开纤幅度、处理速度、树脂粉末的粒径和加热温度等对BPR粉末在炭纤维丝束上的涂层效果。
　　 采用热压成型工艺对BPR粉末涂层炭纤维进行成型,并对预制体的成型工艺和性能进行研究,成功地制备高体积分数炭纤维的预制体,为降低Cf/C复合材料的成本提出了新思路。通过达西定律、粉末涂层炭纤维热压成型的特点和BPR的性能首次建立热压成型的浸渍模型,并成功地将其运用于预制体成型过程中的工艺参数调整。在合理控制炭化工艺的前提下,将预制体热解制备Cf/C复合材料。
　　 研究不同致密化方法对Cf/C复合材料性能的影响。通过沥青浸渍-炭化(PIC)、原位浸渍聚合-炭化(IsIPC)和硼改性酚醛树脂浸渍-炭化(BPR-IC)对Cf/C复合材料进行致密化,研究不同致密化方法对Cf/C复合材料的密度、开口气孔率和形态结构等的影响。首次提出PIC和IsIPC复合致密化方法,并对萘原位浸渍聚合的浸渍机理、聚合机理和聚合最佳条件进行研究,通过复合致密化方法处理的Cf/C复合材料的性能有较大幅度的提高。采用X-射线衍射(XRD)分析不同致密化方法对Cf/C复合材料的石墨化度的影响,并由导热机理探讨了不同致密化方法对Cf/C复合材料导热性能的影响。
　　 比较粉末涂层工艺和致密化方法对Cf/C复合材料高温热失重的变化,从而研究Cf/C复合材料基体制备工艺对高温抗氧化性能的影响。由于Cf/C复合材料本身的抗氧化性能较差,必须对其进行抗氧化处理才得以应用。对Cf/C复合材料采用包埋法制备SiC/MoSi2复合涂层,并对其界面性能和抗氧化性能进行初步的探讨。对涂层Cf/C复合材料在1500℃下进行等温氧化和1500℃至室温条件的抗热震研究,分析涂层对高温抗氧化性能的影响。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录、缩略词

第1章 绪论

1.1 Cf/C复合材料的性能与应用

1.2 影响Cf/C复合材料预制体的因素

1.2.1 基体前驱体

1.2.2 炭纤维的选择

1.2.3 炭纤维表面处理

1.2.4 聚合物粉末涂层

1.3 Cf/C复合材料致密化工艺

1.3.1 化学气相沉积工艺

1.3.2 化学气相浸渗法

1.3.3 化学液相气化渗透法

1.3.4 液相浸渍法

1.3.5 超高温模压技术及新工艺

1.4 Cf/C复合材料的抗氧化性能

1.4.1 抗氧化涂层的基本要求

1.4.2 抗氧化涂层的类别

1.5 课题的研究背景和意义

1.6 本文构想和研究内容

第2章 样品的制备、结构表征及相关性能测定方法

2.1 原材料与化学药品

2.2 试样制备、结构表征与性能测定的仪器与设备

2.3 试样制备方法

2.3.1 炭纤维的表面处理

2.3.2 柔韧预浸炭纤维丝束的制备工艺

2.3.3 预制体的制备工艺

2.3.4 预制体的炭化和Cf/C复合材料的致密化工艺

2.3.5 Cf/C复合材料的抗氧化涂层的制备工艺

2.4 材料结构和性能的分析方法

2.4.1 傅立叶红外光谱分析

2.4.2 柔韧预浸炭纤维丝束观察

2.4.3 炭纤维丝束的拉伸强度

2.4.4 炭纤维体积含量

2.4.5 弯曲强度和弯曲模量

2.4.6 剪切强度

2.4.7 X-射线衍射分析

2.4.8 扫描电镜形貌观察

2.4.9 密度和开口气孔率的测试

2.4.10 萘的转化率测定

2.4.11 导热系数测试

2.4.12 抗氧化性能测试

2.4.13 涂层的热震性能测试

第3章 柔韧预浸炭纤维丝束制备和性能研究

3.1 炭纤维表面处理

3.1.1 溶剂抽提和氧化处理

3.1.2 XRD分析

3.1.3 炭纤维表面分析

3.1.4 炭纤维表面浸润性能

3.1.5 炭纤维的拉伸强度

3.2 空气梳开纤

3.2.1 炭纤维开纤原理和方法

3.2.2 炭纤维开纤幅度

3.2.3 炭纤维束开纤不均率

3.2.4 炭纤维束断面层数

3.3 BPR粉末涂层

3.3.1 粉末流态化过程

3.3.2 开纤幅度对涂层的影响

3.3.3 处理速度对涂层的影响

3.3.4 涂层树脂粉末的要求

3.3.5 加热温度对涂层的影响

3.4 小结

第4章 Cf/C复合材料的预制体制备和炭化研究

4.1 Cf/C复合材料的预制体成型

4.1.1 预制体成型方法

4.1.2 预制体成型工艺

4.1.3 预制体热压成型的模型

4.2 热压成型预制体的性能研究

4.2.1 预制体的力学性能

4.2.2 预制体的表面形貌

4.3 预制体的炭化

4.3.1 预制体炭化速率

4.3.2 炭化对不同炭纤维含量预制体的影响

4.3.3 预制体炭化后的形态结构

4.3.4 炭化过程中影响Cf/C复合材料密度的因素

4.4 小结

第5章 Cf/C复合材料的致密化研究

5.1 Cf/C复合材料的不同致密化过程

5.1.1 沥青浸渍-炭化过程

5.1.2 原位浸渍聚合-炭化过程

5.1.3 BPR浸渍-炭化过程

5.2 不同致密化过程对Cf/C复合材料密度和开口气孔率的影响

5.3 不同致密化过程对Cf/C复合材料力学性能的影响

5.4 不同致密化过程对Cf/C复合材料结构形态的影响

5.5 不同致密化方法对Cf/C复合材料的XRD分析

5.6 不同致密化方法对Cf/C复合材料导热性能的影响

5.6.1 导热机理

5.6.2 温度对Cf/C复合材料导热系数影响

5.6.3 致密化方法对Cf/C复合材料导热系数的影响

5.6.4 密度和炭纤维取向对导热系数的影响

5.7 自制试样与国内外Cf/C复合材料的性能比较

5.8 小结

第6章 Cf/C复合材料的抗氧化性能

6.1 Cf/C复合材料的抗氧化性能

6.1.1 炭纤维含量对Cf/C复合材料热失重的影响

6.1.2 致密化过程对Cf/C复合材料热失重的影响

6.2 涂层对Cf/C复合材料抗氧化性能的影响

6.2.1 包埋法的基本原理

6.2.2 涂层Cf/C复合材料的组织结构

6.2.3 涂层Cf/C复合材料的抗氧化性能

6.3 涂层Cf/C复合材料的力学性能

6.4 涂层的氧化过程和化学本质

6.5 小结

结论

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢